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DPG Jahrestagung, Berlin 2005Axel Kranzmann, BAM V.1

Stromerzeugung ohne CO2Ausstoß in die Erdatmosphäre

CO2-Reduktions-Technologie,COORETEC


• Motivation

• Stand der Technik– Dampfkraftwerk.

– GuD- oder Kombikraftwerk, engl. Combined Cycle.

– Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC.

– CO2-Abscheidung

• Aktuelle Forschungsthemen, COORETEC– Kreislaufoptimierung

– Werkstoffforschung

– CO2-Abscheidung und Speicherung

• Ökonomie und Zusammenfassung


Energiebedarf und Primärenergiequellen.

• Kohlenstoffhaltige Brennstoffe: Kohlen, Erdgas, Erdöl, Biomasse, Müll, Methanhydrat

• Erdwärme• Windkraftwerke• Sonnenlicht• Wasserkraft• Kernspaltung

Anteil an der Stromerzeugung in % im Jahr 2002

4,5 2,9

28,4

3,39,3127,4

23,2

Wasserkraft

Windkraft

Kernenergie

Biomasse, Müll, usw.

Erdgas

Mineralöl

Braunkohlen

Steinkohlen

Brennstoffe: 3343 PJGesamtstromerzeugung: 581 TWhdavon Kernkraft: 164,8 TWh


Studien und Quellen

• Studien zum Energiebedarf, Shell, BP, EU, BMWA, BMBF, BMU.

• International Energy Agency, IEA• VGB PowerTech• Greenpeace• Concepts of CO2 removal from fossil fuelbased power

generation systems, Pruschek und Göttlicher• VGB PowerTech

politische, ökonomische, technische Randbedingungen


Shell, 1999


BP amoco energy review 2000


Basiert auf einer IEA Prognose


Schlussfolgerung:

Kohlenstoffhaltige Brennstoffe werden in den nächsten20 Jahren die Hauptsäule für die Stromversorgung bleiben.Die Kohlevorräte sind die größte Primärenergieträger-reserve und die Vorräte sind global verteilt.


CO2-“freie“ Kraftwerk

• Jede Verbrennung kohlenstoffhaltiger Substanzen setzt CO2 frei.

• Richtlinien für die CO2 Emission verschiedener Brennstoffe– 1 kg Mineralöl (CH2) erzeugt 3,1428 kg CO2 (4,4 MJ)– 1 kg Kohle (C6H) erzeugt 3,6164 kg CO2 (28,8 MJ)– 1 m3 (0,8 kg) CH4 erzeugt 2,2 CO2 (38,4 MJ)

• Ziel: CO2 abtrennen und speichern• Heute: Wäscher SO2, NOx


Stand der Technik und Entwicklungsmöglichkeiten der

konventionellen Kraftwerkstechnik


Kohlekraftwerk

Dampferzeuger

Qein

Turbinen

Kondensator

Qaus

Waus

PumpeWein Wel

ηth = 1- Qein/Qaus ηel = 1- Wel/Qein

Q , Wärme/JW, Arbeit/J


F&E Themen:

Dampf, Temperatur und Druck (z.B. 600°C, 250 bar)&Schlackenangriff (Korrosion)

Feuerung: Korrosion, Oxidation, reduzierendeBedingungen.

Kohlenmühlen: Verschleiß


Kohlekraftwerk Boxberg; η > 42%


Gasturbine

(Umgebungstemperatur)Treibstoff

Wel

Abgas,Rauchgas700 – 900 K

LuftUmgebungs-temperatur


Kompressor (Beispiel ein Druckverhältnis von32:1bzw. 33:1)

Brennkammern

Turbine

ALSTOM GT26/24 Turbine


Moderne ALSTOM Gasturbine GT24/GT26

TurbineTurbine

Kompressor

Brennkammer Brennstoff Einspritzung Brennkammer Brenner

T < 950 °C T> 950 °C T < 950 °C T> 950 °C T < 950 °C


BEWAG - Kraftwerk Berlin-Mitte, KWK-Anlage.


Wirkungsgrad

• Carnot-Maschine

• Brayton-Zyklus Hochtemperatur-Reservoir

CarnotMaschine

Wärmesenke

QH

QL

QH

QL

p

Arbeit

V

1

2TH=konst.

TL=konst.

Arbeit


Brayton-Zyklus

1

2 3

4

S = konst.

S = konst.

Qein

Qaus

T p

P = konst.

Qein

Qaus

P = konst.1

2

3

4

VS1-2 Isentrope Kompression (Kompressor); 2-3 P=konst, Wärmezufuhr

3-4 Isentrope Enspannung (Turbine) 4-1 P=konst. Wärmeabfuhr


Ideale Gasturbine

ηΒ := 1 -1

pr(k-1)/k

1

2 3

4

S = konst.

S = konst.

Qein

Qaus

p, pr = P2/P1, k = Cp/Cv

, T2/T1 = (P2/P1)(k-1)/k = (P3/P4)(k-1)/k =T3/T4

Indizes entsprechen den Punkten im Kreislaufdiagamm.

„Eigenenergiebedarf“

-Interne Verluste 0,5%, Turbinenwirkunsgrad 0,995-Hilfssysteme (Schmiermittelversorgung, …) -....

propt= Taus

TIT1

ηk ηT

k2 – 2k

T=300KKluft = 1,4KCO2= 1,29

T=1000 KKluft=1,34KCO2=1,23


„Ideale“ Gasturbineneintrittstemperatur

2 11.5 21 30.5 401000

1500

2000

25002500

1000

Thbi pr 1000,( )

Thbi pr 889,( )

Thbi pr 707,( )

402 pr

Tein

TAustritt

Druckverhältnis,

WerkstoffeKühlung

Aerodynamik

Opt. Turbinen-eintrittstemp./K

775

892

892

Turbinenaustrittstemp./K

813867Beispieleheutiger Turbinen


Gasturbinen-Dampfturbinen-Kombikraftwerk

(Umgebungstemperatur)Treibstoff

Luft

Abgas,Rauchgas700 – 900 K

Umgebungs-temperatur

Dampferzeuger

Wel

Pumpe

Turbinen

Kondensator

Qaus


Stand der Technik

Umwandlungswirkungsgrad

30

35

40

45

50

55

60

65

1 10 100 1000

Wirk

ungs

grad

in %

des

Wär

mei

nhal

ts d

es B

renn

stof

fs.

Elektrische Leistung/MW

JapanUSAEuropa

GT solo

Kombikraftwerke


Kombikraftwerk mit integrierter Kohlevergasung, IGCC

Dampf-Kraftwerk

Vergasung Kombikraftwerk


Kohlevergasung mit Kombikraftwerk.

Kohlevergasung

C + O2 CO

C + O2 CO2

C + CO2 CO (Boudward)

C + H2O CO + H2

C + H2 CH4

CO + H2O CO2 + H2 (Shift)

CO + H2 CH4 + H2O

Typische Temperatur1250 K. Drücke bis 0,1 bis 10 MPa.

Reaktionen verschieben sich mitTemperatur und Druck.


IGCC Technologie

• Nutzt fortgeschrittene Kombikraftwerkstechnik

• Wasserstoffproduktion

• Synthetische Treibstoffe - Methan, Methanol

• CO2 Abscheidung ist integrierbar.

• Nutzt Kohle

• Andere Rohstoffe, z.B. Biomasse.


Stand der Technik: Verbrennungskraftwerke

Wirkungsgrad – Kohlekraftwerk 43 bis 45%– Kombikraftwerke 58 bis 60,5 %– IGCC Versuchsanlagen

• Europa• USA• Japan


Vermeidungskosten pro t/CO2 ohne den Einsatz von CO2 Reduktionstechnologien.

1 Euro = 1,95583Dok. Nr. 492, Energiepolitische und gesamtwirtschaftliche Bewertung eines 40%-Reduktionsszenarios.Endbericht der Prognos AG in Kooperation mit demEnergiewirtschaftlichen Institut der Universität Köln (EWI)und dem Bremer Energie Institut (BEI). Gutachten erstellt im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie, Juli 2001.


Kann heute ein CO2-“Freies“ Kraftwerk gebaut werden?

Ja, wenn eine Erhöhung des Stromgestehungspreises um den Faktor 4 sowie der höhere Platzbedarf akzeptiert wird.

Kerr-McGee/ ABB Global Lummus

Kohlendioxid-wäschertechnologie

SHADY POINT, OKLAHOMA, USA


Andere CO2-Abtrennunstechnologien aus dem Abgasstrom

Mineralreaktionen, z.B. Zirkonat – Carbonat.

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 20 40 60 80 100 120 140 160

12%

Li 31

Gas: 20 % CO2 / 80 % N2 feuchtAdsorption: 500 °CDesorption: 670 °CFlow: 150 ml/min

Time (min)

Weightincrease(g)

time

Wei

ght g

ain 500 °C 650 °C

F&E Bedarf:Andere energetisch günstigeund reversible Reaktionen.


Schema eines fiktiven heutigen Kraftwerks mit CO2-Wäsche

Rauchgasreinigung: Aminwäsche oder Heißpottaschewäsche

Preis: - Mehr als 10%-Punkte Wirkungsgradverlust durch stark erhöhten Eigenbedarf an Wärme und elektrischer Energie.


Es existiert ein hoher Ersatzbedarf für Altanlagen bis 2010. Dazu kommt ein steigender Neubedarf bis 2010

Nach IEA Schätzungen steigt der Weltelektrizitätsbedarf bis 2020 um 70%. -> 2000 GW neue Kraftwerksleistung weltweit, davon 200 GW in der EU und 40 GW in Deutschland.


CO2-“freie“ KraftwerkAktuelle Forschung

COORETECCO2-Reduktions-Technologien


Technologieziele

• CO2-Reduktion durch Wirkungsgradver-besserung erreicht wird.

• CO2-Abscheidung• Niedrige Kosten• Exportfähige Technologie


COORETEC - Ziele und Vision2050

2020

2015

Zeits

kala

CO2-Abtrennung

F&E-Perspektivekurzfristig mittelfristig langfristig

KraftwerkNahe-Null-Emissionen

VergasungLuftzerlegungOxyfuels

Hybrid-lösungen

Kombinierte C+H-Wirtschaft

Gesicherte Ziele

Perspektive

2010

2005

Effizienz

DKW η = 50%GuD η > 60%

Priorität: Priorität:Wirtschaftlichkeit Emissionsfreiheitund Emissionsreduktion

DKW η = 55%GuD η = 65+%

Vision


Wirkungsgrad wirkt!

20 25 30 35 40 45 50 55

Wirkungsgrad in %


Wirkungsgradsteigerung Dampfkraftwerk

F&EZu entwickelnde Komponenten

- 700°C Werkstoffsysteme- Verbindungstechnik- Schutzschichten (Dampfkorrosion)- Dichtungstechnik- Simulation/Algorithmen

- 700/720 °C, 375 bar Dampferzeuger- 700 - 800 °C, bis 400 bar Dampfturbine- Hochtemperaturturbine- Aerodynamik, transsonische Beschaufelung

- Vollständiger, NOx-armer Brennstoffumsatz

- Absenkung Kondensatordruck

- Brennstoffaufbereitung

- Verschlackungsfreie Brennkammer

- Prozesssimulation

- Luft- und Brennstoffverteilung

- Tröpfchenkondensation

- Kohlevortrocknung- Kohlemahlung

- Modellierung von Abbrand & Mineralentstehung

- Berechnungsmodelle und Algorithmen


Ziele - Wirkungsgrad

300 700 1100 1500 19000

0.25

0.5

0.75

11

0

C Thc( )

1900300 ThcTmax/K

ηCGT

KK

DK


CO2-Abtrennung und -Speicherung

CO2-Abtrennung heute

- Rauchgasreinigung:Aminwäsche, Heißpottaschewäsche, theoretisch auch mit Molekularsieben oder Membranen

- Brennstoffdekarbonisierung (Synthesegas) -> Abtrennung aus dem Synthesegas

CO2-Abtrennung morgen

- Verbrennung in Sauerstoff statt Luft (O2/N2) und Abtrennung des Wassers aus dem Abgas, wodurch ein hochkonzentriertes CO2-Abgas entsteht.

- Statt Wäscher, Kondensation des Wassers.


CO2-freie Kraftwerke: Grundsätzliche Idee

Verbrennung oder Vergasungmit reinem Sauerstoff.

C O2 CO2+

Vergleich: V

erbrennung in Luft.CxHy + O2 H2O

Vorteil: Ohne N2 entsteht kein NOx. Einsparung: DeNox - Anlage.


Spülgas Spülgas + O2

N2 + less O2 N2+ O2 (Luft)

Dichte keramischeMischleiter-MembranO2-e -

pO2, Permeat

pO2, Retentat


Sauerstofftrennung

Gut Sauerstoffionen leitende Membranen sind in Deutschland aus industrieller Forschung und Entwicklung verfügbar.


Oxifuelprozesse - Membrantechnik

Energetischgünstige

Luftzerlegungmit Hochtemperatur-

membranen

CO2-Verdichtung,- Transport

und- Lagerung

CO2/H2O alsArbeitmedium in

der Turbomaschine


-modifiziertes La Co O3 ; ZrO2 und BiO3-La-Ni-Fe-O -La-Sr-Co-Fe-O ;0,21 cm3/ cm2 min-Sr-Ti-Fe-O -Ce-Gd-Co-O ; 0,77 x 10-2 mol/ m2 s)-Sr-Bi-Fe-O -Ba-Co-Fe-Zr-O ; 0,9 ml/ cm2 min)-Sr-Co-Fe-Zr-O ; 1,37 x10-2 mol/ m2 s)-Ba-Sr-Co-Fe-O ; 1,16 ml/ cm2 min)

- Der Sauerstoffdurchfluss ist noch zu gering.Industriell würden 5-10 cm3/ (cm2

min) bzw. 3,7 –7,4 x 10 –2 mol / m2 s benötigt!

Membranwerkstoff

Meist Perowskite

TZPO2-Ionen

PbZrxTi1-xO3

CaTiO3 (Pnma)

YBa2Cu3O7-x

(Pmmm)

Elektronenleitung


Advanced Zero Emission Power Plant, AZEP

In FRAME V von der EU gefördertes Projekt unter Beteiligung von Norsk Hydro, ALSTOM und seit 2004 Siemens.Ziel: Nach der Grundlagen-forschung im AZEP-Projekt soll der Bau eines Prototyps erfolgen.

Zur Zeit größte Hürde:Es konnte noch kein größeres Membranmodul demonstriert werden, sondern lediglich kleine Labordemonstratoren.


Themenfelder mit übergreifender Bedeutung

• gekoppelte Simulation von Aerodynamik und Mechanik einzelner Komponenten

• gekoppelte Simulation von Gesamtanlagen

• Hochtemperaturwerkstoffe und Werkstoffsysteme

• Verbrennungsoptimierung

• Thermodynamik von CO2, H2O, O2 -Gasgemischen.

• Membrantechnologie

• Wäschertechnologie

• Sozio-ökonomische Fragen - Akzeptanz


Aufwand für die CO2 Abscheidung

-20

0

20

40

60

80

100

Kohle/

10MJs

Elektr.

/10MW

Eigenb

ed./M

W

Netto S

tromerz

./10M

W

Netto W

irkun

ggrd.

Kohle/

10MJs

Elektr.

/10MW

Eigenb

ed./M

W

Netto S

tromerz

./10M

W

Netto W

irkun

ggrd.

ohne

mit CO2-Abscheidung

Vergleich

Beispiel IGCC

Concepts of CO2 removal from fossil fuelbased power generation systemsR. Pruschek and G. Gottlicher

Wirkungsgradverlust in den Beispielen 4,2 bzw. 6,2. % Punkte.


Gasturbine

10,65

30,3

50

24,7

140

30,5

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Druckverhältnis GT Wirkungsgrad

Referenzgasturbine 152,7MW

Optimierte CO2-Turbine(60 bar CO2-Druck)

Optimierte CO2-Turbine,max. Wirkungsgrad


Gasturbinen können in einem CO2-Kreislauf fast mit gleichem Wirkungsgrad wie heute betrieben werden.


Zukünftige Entwicklungen

1. Verbrennung mit „reinem“ Sauerstoff.1. Energiesparende Technik, vgl. Linde-Anlage. Membrantechnologie.

2. Veränderte Auslegung, Oxidationsschutz

2. Abtrennung von CO2

1. Technik mit geringem Energiebedarf

3. Höhere Wirkungsgrade als heute für den Betrieb ohne Luftzerlegung und

CO2-Abscheidung.1. Höhere Betriebstemperaturen

2. Hochtemperaturmaterial und verbesserte Kühlung

3. Korrosions-/Oxidationsschutzschichten

Senkung der Abgabe von CO2 in die Atmosphäre.


COORETEC CO2-Speicherung

CO2SINK - CO2 Speicherprojekt in Ketzin, Brandenburg.Kooperation und Unterstützung des CO2SINK-Projektteams um Prof. Borm. CO2SINK wird mit Mitteln des EU FRAME 6 F&E-Programms gefördert.

Allgemeiner F&E- Bedarf:- katasterartige Erfassung der Speicherkapazität in

Deutschland- Simulation von Speicherszenarien- Thermodynamik der Mineralbildung- CH4/CO2 Austauch mit Kohle


CO2-Speicherung

SicherheitWeltweite Kapazität

[Gt CO2]

Rel. Kosten[€/t CO2]

Technische

Hürden

Bewertung

Öl/GasReservoire

Kohle-schichten

Ozean CO2Lösung

Aufforstung

Salzwasser Aquifere

100te

Minenhohl-räume

Tiefsee CO2Pool

100te-1000de

10-100te

++

100te

1000de-100000de

1000de-100000de

10-100te

gut

Möglicher-weise gut

Wahrschein-lich schlecht

gut

mittel

Wahrschein-lich gut

gut

hoch niedrig: 5-10

mittel +niedrig: 15-20

niedrig oniedrig

hoch –hoch

mittel o niedrig: ca. 15

niedrig –hoch: 60-80

+ hoch niedrig: 5-20


Weitere, bisher nur angedachte Konzepte- Hydrothermale Kraftwerk- Virtuelle Kraftwerk


Hydrothermale Wärmequelle

CH4 0.7 g/s

H2O:CH4 = 70:30

λ = 1

Wärmemenge 35 kWtherm

Durchschnittl. Wärmefluss

350 kW/m2

• Verbrennung von Gas, Öl oder Kohle möglich

• Tcrit = 374 °C; pcrit = 221 bar

• Heute erprobt bei der Oxidation von giftigen Stoffen und Brennstoffen

Temperaturprofil den Reaktors(Reaktorlänge Y = 60 cm; Durchmesser X = 5 cm)


Hydrothermaler Generator: DesignBrennstoff/Wasser=30/70, λ = 1, Brennstoff = 1 mol CH4 , Hupper= -890 kJ

400°C250 bar

50°C250 bar

bis 700°C

Sekundärkreislauf

fuel:25°C, 1bar

400°C, 250 bar

"wet stack"

Flüssiges Kondensat: [0.03 CO2 / 4.27 H20]

air:25°C, 1bar

400°C, 250 bar

H2O :50°C, 250bar

400°C, 250 bar

Abgas für Expansionsturbine: 250 bar 1 bar

Wärmerück-gewinnung

Feste Salze aus denVerunreinigungen.

-800 kJ

-336 kJ-7 kJ

+127 kJ

+112 kJ

+18 kJ

Σ +257 kJ

8 N2 + 1 CO2 + 4.3 H20

[0.01 CO2 / 2 H20]

8 N2 + 0.97 CO2 + 0.03 H20

Beispiel: ErdgasBrennstoffe:• Kohlen• Öle• Erdgas • Müll• Biomasse

H.J.SchmutzlerH.P.BossmanDr. Eisenreich, FhG


Hydrothermal Kraftwerk: FlussbildAbgas Luft/O2 Erdgas Kohle

Dampf-turbine G

M

Bunker25°C, 1 bar

Kompressor

Mühler

Mischerr

Hydro-Thermaler

Reaktor

KondensatorM

250 bar1 bar

Entspannungs-turbine

700°C, 375 bar

Feststoffe Wasser/Schweflige

Säure

Separator

350°C

Speisewasser

50°C

400°C, 250 bar


Hydrothermal Power Plant: 1 MW Unit

Brennstoff

Reines Abgas

Wasserabscheider&

Pumpe

27 Reaktoren für

1 MW steam

Hoher Druck& Rezirkulationspumpe

Wasserapprox. 1m


Hydrothermale Kraftwerk: Skizze

Boiler

Entschwefelung

DeNox

Etwa 40 % des Anlagevolumens könnten eingespart werden.


Virtuelle Kraftwerk

Heute Morgen

Großkraftwerk

IGCC (H2) Photovoltaik

Bürogebäude

Bürogebäude

FabrikWind-

energie

Intelligente Haus 50-100kWDas Brennstoffzellenauto

versorgt das Haus mit Strom und Einspeisung ins Netz-

*KWK

* Batterie-puffer

Auto-ladestation

Source: DOE


Zusammenfassung• Studien

– Kohlenstoffhaltige Brennstoffe werden für die Stromerzeugung absolut zunehmen.

• CO2-Abscheidung ist heute bereits möglich– Hoher Wirkungsgradverlust– Statt Ressourcenschonung, deren schneller Verbrauch

• Verbrennung mit Sauerstoff über Membranluft-trennmodule energetisch günstig, aber noch nicht entwickelt.

• Weltweite Forschung mit Fokus auf– Wirkungsgradsteigerung der bestehenden Technik.– Kostengünstige Luftzerlegung.– CO2-Speicherung (Europa: Sleipner-Ölfeld, Ketzin)


Vielen Dank für Ihr Interesse an meinem Thema.

Bitte stellen Sie Ihre Fragen.

Weitere Informationen finden Sie unter:Inrternet: www.cooretec.de

Email: [email protected]

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